Modelo digital de elevação - Digital elevation model

Um modelo de elevação digital ( DEM ) é uma representação gráfica de computador 3D de dados de elevação para representar o terreno , geralmente de um planeta , lua ou asteróide . Um "DEM global" refere-se a uma grade global discreta . DEMs são usados ​​frequentemente em sistemas de informação geográfica e são a base mais comum para mapas de relevo produzidos digitalmente .

Embora um modelo de superfície digital (DSM) possa ser útil para modelagem de paisagem , modelagem de cidade e aplicativos de visualização, um modelo digital de terreno (DTM) é frequentemente necessário para modelagem de inundação ou drenagem, estudos de uso da terra , aplicações geológicas e outras aplicações, e em ciência planetária .

Terminologia

As superfícies representadas por um modelo de superfície digital incluem edifícios e outros objetos. Os Modelos Digitais de Terreno representam o solo descoberto.

Não há um uso universal dos termos modelo digital de elevação (DEM), modelo digital de terreno (DTM) e modelo digital de superfície (DSM) na literatura científica. Na maioria dos casos, o termo modelo de superfície digital representa a superfície da Terra e inclui todos os objetos nela. Em contraste com um DSM, o modelo digital de terreno (DTM) representa a superfície do solo sem nenhum objeto como plantas e edifícios (veja a figura à direita).

DEM é freqüentemente usado como um termo genérico para DSMs e DTMs, representando apenas informações de altura sem qualquer definição adicional sobre a superfície. Outras definições igualam os termos DEM e DTM, igualam os termos DEM e DSM, definem o DEM como um subconjunto do DTM, que também representa outros elementos morfológicos, ou definem um DEM como uma grade retangular e um DTM como um modelo tridimensional ( TIN ). A maioria dos provedores de dados ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) usa o termo DEM como um termo genérico para DSMs e DTMs. Alguns conjuntos de dados, como SRTM ou ASTER GDEM são originalmente DSMs, embora em áreas de floresta, SRTM alcance a copa das árvores dando leituras em algum lugar entre um DSM e um DTM). É possível estimar um DTM a partir de conjuntos de dados DSM de alta resolução com algoritmos complexos (Li et al. , 2005). A seguir, o termo DEM é usado como um termo genérico para DSMs e DTMs.

Tipos

Mapa de altura da superfície da Terra (incluindo água e gelo), renderizado como uma projeção equirretangular com elevações indicadas como escala de cinza normalizada de 8 bits, onde valores mais claros indicam elevação mais alta

Um DEM pode ser representado como um raster (uma grade de quadrados, também conhecido como mapa de altura quando representa elevação) ou como uma rede irregular triangular baseada em vetor (TIN). O conjunto de dados TIN DEM também é conhecido como DEM primário (medido), enquanto o DEM raster é conhecido como DEM secundário (calculado). O DEM poderia ser adquirido por meio de técnicas como fotogrametria , lidar , IfSAR ou InSAR , levantamento topográfico , etc. (Li et al. 2005).

DEMs são comumente construídos usando dados coletados usando técnicas de sensoriamento remoto, mas eles também podem ser construídos a partir de levantamento topográfico.

Renderização

Mapa de relevo da Sierra Nevada da Espanha, mostrando o uso de sombreamento e cores falsas como ferramentas de visualização para indicar elevação

O próprio modelo de elevação digital consiste em uma matriz de números, mas os dados de um DEM são frequentemente renderizados na forma visual para torná-los compreensíveis para os humanos. Esta visualização pode ser na forma de um mapa topográfico contornado , ou pode usar sombreamento e atribuição de cores falsas (ou "pseudo-cor") para renderizar elevações como cores (por exemplo, usando verde para as elevações mais baixas, sombreado para vermelho, com branco para a elevação mais alta.).

As visualizações às vezes também são feitas como vistas oblíquas, reconstruindo uma imagem visual sintética do terreno como ele apareceria olhando para baixo em um ângulo. Nessas visualizações oblíquas, as elevações às vezes são escaladas usando " exagero vertical " para tornar as diferenças sutis de elevação mais perceptíveis. Alguns cientistas, no entanto, objetam ao exagero vertical por enganar o observador sobre a verdadeira paisagem.

Produção

Os mapeadores podem preparar modelos de elevação digital de várias maneiras, mas frequentemente usam sensoriamento remoto em vez de dados de levantamento direto .

Os métodos mais antigos de geração de DEMs geralmente envolvem a interpolação de mapas digitais de contorno que podem ter sido produzidos por levantamento direto da superfície da terra. Este método ainda é usado em áreas montanhosas , onde a interferometria nem sempre é satisfatória. Observe que os dados da linha de contorno ou quaisquer outros conjuntos de dados de elevação amostrados (por GPS ou levantamento do solo) não são DEMs, mas podem ser considerados modelos digitais de terreno. Um DEM implica que a elevação está disponível continuamente em cada local na área de estudo.

Mapeamento de satélite

Uma técnica poderosa para gerar modelos de elevação digital é o radar de abertura sintética interferométrica, onde duas passagens de um satélite de radar (como RADARSAT-1 ou TerraSAR-X ou Cosmo SkyMed ), ou uma única passagem se o satélite estiver equipado com duas antenas (como o Instrumentação SRTM ), coletar dados suficientes para gerar um mapa digital de elevação de dezenas de quilômetros de lado com uma resolução de cerca de dez metros. Outros tipos de pares estereoscópicos podem ser empregados usando o método de correlação de imagem digital , onde duas imagens ópticas são adquiridas com diferentes ângulos tirados da mesma passagem de um avião ou um satélite de observação da Terra (como o instrumento HRS de SPOT5 ou a banda VNIR de ASTER ).

O satélite SPOT 1 (1986) forneceu os primeiros dados de elevação utilizáveis ​​para uma porção considerável da massa terrestre do planeta, usando correlação estereoscópica de duas passagens. Posteriormente, mais dados foram fornecidos pelo Satélite Europeu de Sensoriamento Remoto (ERS, 1991) usando o mesmo método, a missão Topográfica de Radar Shuttle (SRTM, 2000) usando SAR single-pass e o Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) instrumentação no satélite Terra usando pares estéreo de passagem dupla.

O instrumento HRS no SPOT 5 adquiriu mais de 100 milhões de quilômetros quadrados de pares estéreo.

Mapeamento planetário

Modelo digital de elevação MOLA mostrando os dois hemisférios de Marte. Esta imagem apareceu na capa da revista Science em maio de 1999.

Uma ferramenta de valor crescente na ciência planetária tem sido o uso da altimetria orbital usada para fazer mapas digitais de elevação de planetas. Uma ferramenta primária para isso é a altimetria a laser, mas a altimetria por radar também é usada. Mapas de elevação digital planetários feitos usando altimetria a laser incluem o mapeamento de Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA), o Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) e Lunar Altimeter (LALT) mapeamento da Lua, e o mapeamento de Mercury Laser Altimeter (MLA) Mercúrio. No mapeamento planetário, cada corpo planetário possui uma superfície de referência única.

Métodos para obter dados de elevação usados ​​para criar DEMs

Veículo aéreo não tripulado Gatewing X100

Precisão

A qualidade de um DEM é uma medida da precisão da elevação em cada pixel (precisão absoluta) e da precisão da morfologia apresentada (precisão relativa). A avaliação da qualidade do DEM pode ser realizada pela comparação de DEMs de diferentes fontes. Vários fatores desempenham um papel importante para a qualidade dos produtos derivados de DEM:

  • rugosidade do terreno;
  • densidade de amostragem (método de coleta de dados de elevação);
  • resolução da grade ou tamanho do pixel ;
  • algoritmo de interpolação ;
  • resolução vertical;
  • algoritmo de análise de terreno;
  • Os produtos 3D de referência incluem máscaras de qualidade que fornecem informações sobre a costa, lago, neve, nuvens, correlação etc.

Usos

Modelo digital de elevação - Red Rocks Amphitheatre, Colorado obtido usando um UAV
Modelo de superfície digital 3D do aeródromo de Bezmiechowa obtido usando Pteryx UAV voando 200 m acima do topo da colina
Modelo Digital de Superfície de auto-estrada intercâmbio canteiro de obras . Observe que os túneis estão fechados.
Exemplo de DEM voado com o Gatewing X100 em Assenede
Gerador de modelo digital de terreno + texturas (mapas) + vetores

Os usos comuns de DEMs incluem:

Fontes

Global

Um DEM gratuito de todo o mundo chamado GTOPO30 ( resolução de 30 segundos de arco , c. 1  km ao longo do equador) está disponível, mas sua qualidade é variável e em algumas áreas é muito ruim. Um DEM de qualidade muito superior do instrumento Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) do satélite Terra também está disponível gratuitamente para 99% do globo e representa elevação com resolução de 30 metros . Uma resolução similarmente alta estava anteriormente disponível apenas para o território dos Estados Unidos sob os dados da Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), enquanto a maior parte do resto do planeta era coberta apenas em uma resolução de 3 segundos de arco (cerca de 90 metros ao longo do equador) . SRTM não cobre as regiões polares e possui áreas montanhosas e desérticas sem dados (vazios). Os dados SRTM, sendo derivados do radar, representam a elevação da superfície refletida pela primeira vez - muitas vezes o topo das árvores. Portanto, os dados não são necessariamente representativos da superfície do solo, mas o topo de tudo o que é encontrado pela primeira vez pelo radar.

Os dados de elevação submarina (conhecidos como batimetria ) são gerados usando sondagens de profundidade montadas em navios . Quando a topografia do terreno e a batimetria são combinadas, um modelo de relevo verdadeiramente global é obtido. O conjunto de dados SRTM30Plus (usado no NASA World Wind ) tenta combinar GTOPO30, SRTM e dados batimétricos para produzir um modelo de elevação verdadeiramente global. A topografia global e o modelo de relevo Earth2014 fornecem grades de topografia em camadas com resolução de 1 arco-minuto. Além do SRTM30plus, o Earth2014 fornece informações sobre as alturas do manto de gelo e o leito rochoso (ou seja, topografia abaixo do gelo) sobre a Antártica e a Groenlândia. Outro modelo global é Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) com resolução de 7,5 segundos de arco. É baseado em dados SRTM e combina outros dados fora da cobertura SRTM. Um novo DEM global de postagens abaixo de 12 m e uma precisão de altura de menos de 2 m é esperado da missão do satélite TanDEM-X que começou em julho de 2010.

O espaçamento de grade (raster) mais comum é entre 50 e 500 metros. Em gravimetria, por exemplo, a grade primária pode ser de 50 m, mas é trocada para 100 ou 500 metros em distâncias de cerca de 5 ou 10 quilômetros.

Desde 2002, o instrumento HRS no SPOT 5 adquiriu mais de 100 milhões de quilômetros quadrados de pares estéreo usados ​​para produzir um formato DEM DTED2 (com uma postagem de 30 metros) formato DEM DTED2 com mais de 50 milhões de km 2 . O satélite radar RADARSAT-2 foi usado pela MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. para fornecer DEMs para clientes comerciais e militares.

Em 2014, as aquisições dos satélites de radar TerraSAR-X e TanDEM-X estarão disponíveis na forma de uma cobertura global uniforme com resolução de 12 metros.

ALOS fornece desde 2016 um DSM global de 1 arco segundo gratuitamente e um DSM / DTM comercial de 5 metros.

Local

Muitas agências nacionais de mapeamento produzem seus próprios DEMs, muitas vezes de maior resolução e qualidade, mas frequentemente eles precisam ser adquiridos, e o custo é geralmente proibitivo para todos, exceto para autoridades públicas e grandes corporações. DEMs são freqüentemente um produto de programas nacionais de conjuntos de dados lidar .

DEMs gratuitos também estão disponíveis para Marte : o MEGDR, ou Mission Experiment Gridded Data Record, do instrumento Mars Global Surveyor Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); e Mars Digital Terrain Model (DTM) da NASA.

Sites

OpenTopography é um recurso da comunidade baseado na web para acesso a dados de topografia de alta resolução, orientados para as ciências da Terra (dados lidar e DEM) e ferramentas de processamento rodando em commodities e sistema de computação de alto desempenho, juntamente com recursos educacionais. A OpenTopography está sediada no San Diego Supercomputer Center da University of California San Diego e é operada em colaboração com colegas da School of Earth and Space Exploration da Arizona State University e da UNAVCO. O suporte operacional principal para OpenTopography vem da National Science Foundation, Division of Earth Sciences.

O OpenDemSearcher é um Mapclient com visualização de regiões com DEMs de média e alta resolução disponíveis gratuitamente.

Modelo STL 3D da Lua com exagero de elevação de 10 × renderizado com dados do Lunar Orbiter Laser Altimeter do Lunar Reconnaissance Orbiter

Veja também

Formatos de arquivo DEM

Referências

Leitura adicional

links externos

Produtos de dados